KR20040064314A

KR20040064314A - 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20040064314A
Application number: KR1020030001525A
Authority: KR
Inventors: 강대식; 정훈기; 한인식; 박순범
Original assignee: 주식회사 코오롱
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-07-19

Abstract

본 발명은 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유에 관한 것으로서, 코어(1)를 클래드(2)가 심초형(Sheath and core type)으로 감싸고 있는 구조를 갖는 플라스틱 광섬유에 있어서, 상기 클래드(2) 내에 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제(HALS)가 함유되어 있고, 280nm 영역의 자외선을 30일 조사시 전체 전송손실율이 10% 미만인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 플라스틱 광섬유는 클래드용 중합체에 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제(HALS)를 첨가하여 제조된다.

Description

자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유 및 그의 제조방법 {A plastic optical fiber with excellent ultraviolet ray stabilization, and a process of preparing the same}

본 발명은 플라스틱 광섬유(이하 "POF" 라고 한다) 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 클래드(2)에 자외선 안정제 및 장애아민 라디칼안정제(Hindered Amine Light Stabilizer - 이하 "HALS" 라고 한다)가 첨가되어 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유(POF) 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

플라스틱 광섬유는 기존 석영계 광섬유(유리섬유)에 비하여 광의 전송효율면에서는 비효율적이나 우수한 구부림 특성, 접속용이성, 저비용 등의 장점을 갖고 있어서 최근 근거리용 통신망 시스템 등에서 유리섬유를 대체할 유망한 소재로 부각되고 있다. 플라스틱 광섬유의 구체적인 용도로는 디지탈 TV, 컴퓨터 프린터 등과 같은 정보 단말을 연결하는 근거리 통신망, 자동차 내부의 통신매체, 내시경의 영상가이드(Image Guide), 장식용 등이 있다.

플라스틱 광섬유(POF)는 도 1과 같이 중심에 위치하는 코어 중합체(이하 "코어"라 약칭한다)를 클래드 중합체(이하 "클래드"라 약칭한다)가 감싸고 있는 심초형(Sheath and core type) 구조를 갖고 있으며, 코어 성분으로는 폴리메틸메타크릴레이트(이하 'PMMA' 라고 한다), 폴리카보네이트, 폴리스티렌 등 굴절율이 크고, 빛의 투과성이 우수한 중합체를 사용하며, 클래드용 성분은 코어 성분보다 굴절율이 낮으며 투명성이 뛰어난 중합체를 사용한다.

이러한 POF는 코어(1) 부분의 굴절율의 분포에 따라서 스텝 인덱스(Step Index) POF, 멀티 스텝 인덱스(Multi Step Index) POF, 그래디드 인덱스(Grade Index) POF로 대별된다. 일반적인 스텝 인덱스 POF의 제조방법은 연속압출법이나 회분압출법 등의 방법으로 제작되고, 그래디드 인덱스 POF는 모재를 연신하여 만드는 방법이 주로 이용된다.

연속압출법의 특징은 단량체, 개시제 및 연쇄이동제를 용융중합하여 코어 중합체와 클래드 중합체를 각각 중합한 다음, 복합방사노즐을 사용하여 코어 중합체와 클래드 중합체를 용융복합방사하여 제조한다. 그래디드 인덱스 POF는 주로 굴절율 분포를 가지고 있는 모재에 열을 이용한 연신공정을 통하여 POF 형태로 가공한다.

상기와 같은 통상적인 종래 기술에서 제조된 POF는 주로 지중매설 및 도 3과같이 추가적인 케이블(3)을 설치하는 것을 원칙으로 설계되었기 때문에, 자외선에 노출될 수 있는 외부 장식용 케이블이나 단거리 정보전달용 외부노출 케이블로 사용시 자외선에 의해 광학적, 물리적 성질이 변하고, 광분해 반응이 증가하여 색을 띠게되고, 잔류 금속에 의한 착물의 에너지 흡수로 인해 광학적 손실이 증가하는 문제점이 있었다.

적외선 파장 흡수로 인한 POF의 전송손실을 방지하기 위한 종래기술로서 일본 특개평 제2-153964호에서는 클래드 중합체를 할로겐 치환 단량체 또는 공중합체로 제조하는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 상기 종래기술들은 적외선으로 인한 전송손실은 어느정도 방지할 수 있었으나 외부 장식용이나 단거리 정보 전달용으로 사용시(외부 노출시) 자외선에 의해 전송손실이 증가되는 현상을 효과적으로 방지할 수 없었다.

본 발명은 장시간 외부에 노출되어도 자외선에 의한 물성의 변화나 전송손실이 적고, 첨가제에 의한 물성변화가 최소화되어 외부장식용 및 단거리 통신용으로 유용한 POF를 제공하고자 한다. 또한 본 발명은 POF의 자외선 안정성을 향상시켜 품질저하로 인한 추가 비용 부담을 절감하고자 한다.

도 1은 본 발명 플라스틱 광섬유의 단면도

도 2는 케이블이 형성된 종래 플라스틱 광섬유의 단면도

※ 도면중 주요부분에 대한 부호설명

1 : 코어 2 : 클래드 3 : 케이블

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)의 제조방법은, 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 각각의 압출기에서 용융한 다음 이들을 심초형(Sheath and core type)으로 복합압출후 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱광섬유를 제조함에 있어서, 상기 클래드용 중합체의 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제(HALS)를 아래 일반식(Ⅰ) 및 일반식(Ⅱ)를 동시에 만족하도록 첨가하는 것을 특징으로 한다.

- 아 래 -

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 : 0.005중량% 이상 (Ⅰ)

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 + 장애아민 라디칼흡수제 첨가량 : 1중량% 이하 (Ⅱ)

또한 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)는 코어(1)를 클래드(2)가 심초형(Sheath and core type)으로 감싸고 있는 구조를 갖는 플라스틱 광섬유에 있어서, 상기 클래드(2) 내에 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제가 함유되어 있고, 280nm 영역의 자외선을 30일 조사시 전체 전송손실율이 10% 미만인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 먼저, 통상의 종래방법과 같이 개시제 및 연쇄이동제를 사용하여 단량체들을 용융 중합하여 코어용 중합체 및 클래드용 중합체를 각각 제조한다. 이때 개시제로는 벤조일 퍼옥시드(Benzoyl peroxide) 등을 사용하고, 연쇄이동제로는 n-부틸 머캅탄(n-buthyl mercaptan) 등을 사용한다.

코어용 중합체 제조시에는 단량체로서 정제된 메틸메타아크릴레이트, 카보네이트 또는 스티렌 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하기로는 메틸메타아크릴레이트를 사용하는 것이 좋다.

중합완료 후 코어용 중합체는 폴리메틸메타크릴레이트(이하 "PMMA"라 한다), 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌으로 구성된다.

한편, 클래드 중합체 제조시에는 단량체로서 메틸메타아크릴레이트와 트리-플루오로 메틸 아크릴레이트(이하 "3-FMA" 라고 한다) 함께 사용하는 것이 바람직 하다.

본 발명에서는 광전송 손실을 최소화하기 위하여 클래드 중합체의 용융중합시 또는 용융혼합시 개시제 및 연쇄이동제와 함께 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민(Hinbered Amine) 라디칼흡수제를 아래 일반식(Ⅰ) 및 일반식(Ⅱ)를 동시에 만족하도록 첨가한다.

- 아 래 -

상기 자외선흡수제와 라이칼흡수제는 클래드용 중합체의 중합공정 말기에 첨가하거나, 클래드용 중합체를 용융하는 압출기 전단에서 첨가하는 것이 좋다.

만약, 클래드용 중합체의 중합공정 초기에 상기 자외선흡수제와 라디칼흡수제를 첨가하면 개시제가 활성을 잃게되어 원하는 중량 분자량을 얻기 힘들고 첨가제의 활성도 약화되어 장시간 방치시 그 효과가 감소될 수 있다.

상기 자외선흡수제 및 라디칼흡수제의 첨가량이 상기 범위보다 적을 경우에는 POF의 자외선 안정성을 효과적으로 개선할 수 없어 전송손실을 효과적으로 방지할 수 없는 문제가 발생될 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 상기 첨가제에 의한 중합평형의 영향으로 중합 및 공압출시 물성이 변하게 될 수도 있다.

벤조트리아졸계 자외선흡수제로는 티뉴빈(Tinuvin) 328 [2-(3,5-di-t-amyl-2-hydroxy phenyl) benzo triazole]을 사용할 수 있고, HALS 로는 치마소버(Chmassorb) 944 를 사용 할 수 있다.

다음으로는, 상기와 같이 제조된 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 통상의 멀티 스텝 인덱스 플라스틱 광섬유의 제조방법과 같이 각각의 익스트루더 (Extruder)에서 용융, 혼합한 후, 이들을 복합방사장치로 공급하여 도 1과 같은 심초형(Sheath and core type)으로 복합토출하고, 계속해서 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유(POF)를 제조한다.

이와 같이 제조된 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)는 도 1과 같이 코어(1)를 클래드(2)가 심초형으로 감싸고 있는 구조를 갖고, 상기 클래드(2) 내에 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제가 함유되어 280nm 영역의 자외선을 30분 조사시 전체 전송손실율이 10% 미만 이다.

본 발명에 있어서, 전체 전송손실율이란 자외선 흡수제와 라디칼흡수제를 전혀 첨가하지 않은 플라스틱 광섬유(POF)의 자외선 조사전 전송손실을 기준으로 아래와 같이 계산한 자외선 조사전 전송손실 증가율(C)과 자외선을 30일 조사한 후의 전송손실 증가율(D)을 합한 값을 의미한다.

본 발명은 자외선 흡수제로 금속성분을 사용하지 않기 때문에 전송손실을 최소화 할 수 있고 금속착물 형성에 의한 발색현상도 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 전송손실, 전송손실 변화율 등은 아래와 같이 평가 하였다.

·자외선 조사전 전송손실 및 자외선 조사 후 전송손실(dB/km)

POF 280nm의 자외선을 조사하기 전의 전송손실과 280nm의 자외선을 30일 조사한 후의 전송손실을 커트-백(Cut-back) 방법에 의한 650nm 의 LED 광원을 이용하여 측정 하였다.

·자외선 조사전 전송손실 증가율(%)

측정 대상 POF의 자외선 조사전 전송손실(이하 "Y"라 한다)과 자외선 흡수제와 라디칼흡수제가 전혀 첨가되지 않은 POF(비교실시예 1의 POF)의 자외선 조사전 전송손실(이하 "X" 라고 한다) 각각을 상기 방법으로 측정한 다음, 이들 측정값을 아래식에 대입하여 자외선 조사전 전송손실 증가율(%)을 구한다.

·자외선 조사 후 전송손실 증가율(%)

직경 1mm × 길이 25mm의 POF 시료에 280nm의 자외선을 30일 이상 조사후 전송손실과 자외선 조사전의 전송손실을 상기 측정방법으로 각각 측정하고, 측정값들을 아래 식에 대입하여 구한다.

·전체 전송손실율(%)

앞에서 구한 자외선 조사전 전송손실 증가율과 자외선 조사후 전송손실 증가율을 합한 값을 전체 전송손실율(%)로 한다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴 본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

정제된 메틸메타아크릴레이트(단량체) 100 중량부, 벤조일 퍼옥사이드(개시제) 0.3 중량부 및 n-부틸 머캅탄(연쇄이동제) 0.15 중량부를 중합반응기에 투입후 상기 단량체를 용융중합하여 폴리메틸메타크릴레이트(코어용 중합체)를 제조한다. 한편, 메틸메타아크릴레이트 70중량부, 3-FMA 29.79중량부, 벤조일퍼옥사이드(개시제) 0.01중량부, n-부틸 머캅탄(연쇄이동제) 0.2중량부 및 단량체대비 0.01중량%의 벤조트리아졸계 자외선흡수제를 중합반응기에 투입후 상기 단량체를 용융중합하여 클래드용 중합체를 제조한다. 상기와 같이 제조된 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 각각의 익스트루더에 공급하여 용융한 다음, 이들을 복합방사장치로 공급하여 도 1과 같은 심초형으로 복합압출하고, 계속해서 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유(POF)를 제조한다. 복합방사시 코어중합체 : 클래드 중합체의 중량비를 10:1 로 조절하였다. 이와 같이 제조된 플라스틱 광섬유의 자외선 조사전 전송손실, 280nm 자외선 30일 조사후 전송손실 및 전체 전송손실율을 측정한 결과는 표 2와 같다.

실시예 2 ~ 실시예 4 및 비교실시예 1 ~ 비교실시예 4

벤조트리아졸계 자외선흡수제 및 장애아민 라디칼 흡수제의 투입량(단량체 대비)을 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정 및 조건으로플라스틱 광섬유(POF)를 제조하였다. 이와 같이 제조된 플라스틱 광섬유의 자외선 조사전 전송손실, 280nm 자외선 30일 조사후 전송손실 및 전체 전송손실율을 측정한 결과는 표 2와 같다.

제조조건

구 분	자외선흡수제 첨가량(중량%)	라디칼흡수제 첨가량(중량%)	투입시기
실시예 1	0.01	0.05	중합말기
실시예 2	0.01	0.10	중합말기
실시예 3	0.05	0.20	중합말기
실시예 4	0.50	0.20	중합말기
비교실시예 1	0	0	-
비교실시예 2	0.003	0	중합말기
비교실시예 3	0.50	0.80	중합말기
비교실시예 4	0.01	0	중합초기

전송손실 측정 결과

구 분	자외선 조사전전송손실(A)	자외선 조사후전송손실(B)	자외선 조사전전송손실증가율(C)	자외선 조사후전송손실증가율(D)	전체전송손실율(C+D)
실시예 1	194	205	1.04%	5.67%	6.71
실시예 2	200	201	4.17%	0.50%	4.67
실시예 3	203	205	5.73%	0.99%	6.71
실시예 4	208	208	8.33%	0.00%	8.33
비교실시예 1	192	248	0.00%	29.17%	29.17
비교실시예 2	194	218	1.04%	12.37%	13.41
비교실시예 3	216	217	12.50%	0.46%	12.96
비교실시예 4	213	227	10.94%	6.57%	17.51

본 발명의 POF는 외부 장식용 및 단거리 통신용 등으로 장시간(30일 이상) 외부에 노출된 상태로 사용하여도 투명한 상태를 유지할 수 있고, 자외선에 의한 물성변화 현상을 효과적으로 방지할 수 있어서 광전송손실을 현저하게 감소시킬 수 있다.

Claims

코어용 중합체와 클래드용 중합체를 각각의 압출기에서 용융한 다음 이들을 심초형(Sheath and core type)으로 복합압출후 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서, 상기 클래드용 중합체의 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제(HALS)를 아래 일반식(Ⅰ) 및 일반식(Ⅱ)를 동시에 만족하도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.

- 아 래 -

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 : 0.005중량% 이상 (Ⅰ)

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 + 장애아민 라디칼흡수제 첨가량 : 1중량% 이하 (Ⅱ)
1항에 있어서, 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제를 클래드용 중합체의 중합공정에 첨가하는 것을 특징으로 하는 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제를 클래드용 중합체를 용융하는 압출기의 전단에 첨가하는 것을 특징으로 하는 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
코어(1)를 클래드(2)가 심초형(Sheath and core type)으로 감싸고 있는 구조를 갖는 플라스틱 광섬유에 있어서, 상기 클래드(2) 내에 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제가 함유되어 있고, 280nm 영역의 자외선을 30일 조사시 전체 전송손실율이 10% 미만인 것을 특징으로 하는 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.
4항에 있어서, 클래드(2) 내 벤조트리아졸계 자외선흡수제와 장애아민 라디칼흡수제의 첨가량이 아래 일반식(Ⅰ) 및 일반식(Ⅱ)를 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 자외선 안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.

- 아 래 -

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 : 0.005중량% 이상 (Ⅰ)

·벤조트리아졸계 자외선 흡수제 첨가량 + 장애아민 라디칼흡수제 첨가량 : 1중량% 이하 (Ⅱ)